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一文弄懂Redis單線程和多線程

更新時(shí)間：2023年07月03日 10:27:56 作者：kuangd_1992

本文主要介紹了一文弄懂Redis單線程和多線程，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

Redis單線程

Redis為什么是單線程

Redis的版本很多，比如3.x、4.x、6.x等，版本不同，架構(gòu)不同：

3.x版本，最早的版本，單線程
4.x版本，嚴(yán)格意義上來說不是單線程，負(fù)責(zé)處理客戶端請(qǐng)求的線程是單線程，并且加了一些多線程（比如：異步刪除）
2020年5月版本的6.0.x后及2022年出的7.0版本后，用一種全新的多線程來解決問題

介紹

Redis的單線程主要是指Redis網(wǎng)絡(luò)IO和鍵值對(duì)讀寫是由一個(gè)線程來完成的，Redis在處理客戶端的請(qǐng)求時(shí)包括獲取(Socket讀)、解析、執(zhí)行、內(nèi)容返回(Socket寫)等都是由一個(gè)順序串行的主線程處理，這時(shí)Redis對(duì)外提供鍵值對(duì)存儲(chǔ)服務(wù)的主要流程。

Redis其他功能，比如持久化RDB、AOF、異步刪除、集群數(shù)據(jù)同步等，是由額外的線程執(zhí)行的。

Redis命令的工作線程是單線程的，但是對(duì)于整個(gè)Redis來說，是多線程。

Redis演進(jìn)

Redis 3.x 單線程時(shí)代性能很快的原因

基于內(nèi)存操作

所有Redis的數(shù)據(jù)都存在內(nèi)存中，因此所有的運(yùn)算都是內(nèi)存級(jí)別的，所以他的性能高

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

Redis的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是專門設(shè)計(jì)的，這些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的查找和操作時(shí)間大部分復(fù)雜度都是O(1)，性能高

多路復(fù)用和非阻塞IO

Redis使用I/O多路復(fù)用功能來監(jiān)聽多個(gè)socket連接客戶端，這樣可以使用一個(gè)線程來處理多個(gè)請(qǐng)求，減少線程切換帶來額開銷，同時(shí)也避免了I/O阻塞操作

避免上下文切換

因?yàn)槭菃尉€程模型，因此就避免了不必要的上下文切換和多線程競(jìng)爭(zhēng)，這就省去了多線程切換帶來的時(shí)間和性能上的消耗，而且單線程不會(huì)導(dǎo)致死鎖問題的發(fā)生

Redis4.0之前采用單線程的主要原因

使用單線程模型使Redis開發(fā)和維護(hù)更簡(jiǎn)單，單線程模型方便開發(fā)和調(diào)試

使用單線程模式也能并發(fā)處理多客戶端的請(qǐng)求，主要使用IO多路復(fù)用和非阻塞IO

對(duì)于Redis來說，主要性能瓶頸是內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬，不是CPU

Redis單線程添加多線程特性的原因

單線程問題：要?jiǎng)h除一個(gè)大key時(shí)，del bigkey會(huì)一直阻塞，等待刪除完成，才能繼續(xù)操作，會(huì)導(dǎo)致Redis主線程卡頓

解決方法：引入了惰性刪除有效避免Redis主線程卡頓。

lazy free的本質(zhì)就是把某些cost(主要時(shí)間復(fù)制度，占用主線程cpu時(shí)間片)較高刪除操作，從redis主線程剝離讓BIO子線程來處理，極大地減少主線阻塞時(shí)間。從而減少刪除導(dǎo)致性能和穩(wěn)定性問題。

雖然引入了多個(gè)線程來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步惰性刪除等功能，但其處理讀寫請(qǐng)求的仍然只有一個(gè)線程，所以仍然是狹義單線程。

Redis6/7多線程

Redis主要的性能瓶頸是內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬，不是CPU

真正意義的多線程

? Redis一直被大家熟知的就是它的單線程架構(gòu)，雖然有些命令操作可以用后臺(tái)線程或子進(jìn)程執(zhí)行（比如數(shù)據(jù)刪除、快照生成、AOF重寫）。但是，從網(wǎng)絡(luò)IO處理到實(shí)際的讀寫命令處理，都是由單個(gè)線程完成的。?

隨著網(wǎng)絡(luò)硬件的性能提升，Redis的性能瓶頸有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)IO的處理上，也就是說，單個(gè)主線程處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的速度跟不上底層網(wǎng)絡(luò)硬件的速度。采用多個(gè)IO線程來處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，提高網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求處理的并行度，Redis6/7就是采用的這種方法。?

但是，Redis的多IO線程只是用來處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的，對(duì)于讀寫操作命令Redis仍然使用單線程來處理。這是因?yàn)?，Redis處理請(qǐng)求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)處理經(jīng)常是瓶頸，通過多個(gè)IO線程并行處理網(wǎng)絡(luò)操作，可以提升實(shí)例的整體處理性能。而繼續(xù)使用單線程執(zhí)行命令操作，就不用為了保證Lua腳本、事務(wù)的原子性，額外開發(fā)多線程互斥加鎖機(jī)制了(不管加鎖操作處理)，這樣一來，Redis線程模型實(shí)現(xiàn)就簡(jiǎn)單了。?

Redis 只是將 I/O 讀寫變成了多線程，而命令的執(zhí)行依舊是由主線程串行執(zhí)行的。

主線程和IO線程的四個(gè)階段

階段一：服務(wù)端和客戶端建立Socket連接，并分配處理線程

首先，主線程負(fù)責(zé)接收建立連接請(qǐng)求，當(dāng)有客戶端請(qǐng)求和實(shí)例建立Socket連接時(shí)，主線程會(huì)創(chuàng)建和客戶端的連接，并把Socket放入全局等待隊(duì)列中。緊接著，主線程通過輪詢方法把Socket連接分配給IO線程。

階段二：IO線程讀取并解析請(qǐng)求

主線程一旦把Socket分配給IO線程，就會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待IO線程完成客戶端請(qǐng)求讀取和解析。因?yàn)橛卸鄠€(gè)IO線程在并行處理，所以該過程執(zhí)行很快。

階段三：主線程執(zhí)行請(qǐng)求操作

等到IO線程解析完請(qǐng)求，主線程以單線程的方式執(zhí)行命令操作。

階段四：IO線程回寫Socket和主線程清空全局隊(duì)列

當(dāng)主線程執(zhí)行完請(qǐng)求操作后，把需要返回的結(jié)果寫入緩沖區(qū)，然后主線程會(huì)阻塞等待IO線程，把這些結(jié)果回寫到Socket中，并返回給客戶端。和IO線程讀取和解析請(qǐng)求一樣，IO線程回寫Socket時(shí)，有多個(gè)IO線程在并行處理，所以該過程執(zhí)行很快，等到IO線程回寫Socket完畢，主線程會(huì)清空全局隊(duì)列，等待客戶端的后續(xù)請(qǐng)求。

從Redis6開始，新增了多線程的功能來提高IO的讀寫性能，主要實(shí)現(xiàn)思路是將主線程的IO讀寫任務(wù)拆分給一組獨(dú)立的線程去執(zhí)行，這樣就可以使用多個(gè)socket的讀寫進(jìn)行并行化了，采用多路IO復(fù)用技術(shù)可以讓單個(gè)線程高效處理多個(gè)連接請(qǐng)求，將最耗時(shí)的socket的讀取、請(qǐng)求解析、寫入等單獨(dú)執(zhí)行，剩下的命令執(zhí)行仍然由主線程串行執(zhí)行并和內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。

五種IO模型

IO多路復(fù)用

一種同步的IO模型，實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程監(jiān)視多個(gè)文件句柄，一旦某個(gè)文件句柄就緒就能夠通知到對(duì)應(yīng)應(yīng)用程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作，沒有文件句柄就緒時(shí)就會(huì)阻塞應(yīng)用程序，從而釋放CPU資源?！卷憫?yīng)式的】

IO：網(wǎng)絡(luò)IO，尤其在操作系統(tǒng)中指數(shù)據(jù)在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的讀寫操作

多路：多個(gè)客戶端連接（套接字描述符，Socket）

復(fù)用：復(fù)用一個(gè)或多個(gè)線程

注意：套接字描述符是訪問套接字的一種路徑，套接字對(duì)唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)TCP連接。

IO多路復(fù)用：一個(gè)或一組線程處理多個(gè)TCP連接，使用單進(jìn)程就能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)處理多個(gè)客戶端的連接，無需創(chuàng)建或者維護(hù)過多的進(jìn)程/線程。